汽车底盘集成控制系统组成和工作原理分析

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1、自从 20 世纪 80 年代以来，为了提高汽车性能，人们开发了各种各 样 的底盘主动控制系统。这些系统按汽车运动方向可以分为 3 类:纵向的制 动和驱动控制、横向的转向和横摆力矩控制以及垂直的悬架控制。目 前汽车 底盘的电子控制系统几乎毫无例外地围绕某一功能来开发，并通 过轮胎与 地面间的接触力产生作用。由于汽车各个方向的运动并非独立，而是相互联系,相互影响，因此具 有以下特征：（1）各个控制系统的控制目标不一致，如主动悬架的主要控 制目标是舒适性，四轮转向的主要控制目标是操纵稳定性，将两者集成时 会由于控制目标不一致而冲突；（2）各个控制系统对执行器的控制存在 干 涉，如制动器同时受到驾驶员

2、、防抱死系统 ABS 和电子稳定程序 ESP 等的 控制；同一控制目制可以由多个控制系统完成，如转向时的操纵 稳定性 可以由主动前轮转向AFS、主动后轮转向ARS和ESP等来实现。此外还 存在基于反馈的控制存在时间和相位的滞后 ， 系统的冗余度 较大， 尤其是 传感器冗余。底盘集成控制是当前底盘的研发热点， 因为它有着传统控制无法比拟的优点， 具体如下。 （1）消除各系统间的冲突 如四 轮转向可以改变汽车的横向运动， 同样通过制动力控制也可以改变 汽车的 横向运动， 集成控制能实现两个系统各自以合适的幅度向同一个 方向作用, 消除可能存在的冲突。 （2）改善车辆性能 如在装有 ABS 的 车辆

3、上若安装 形式为“高选择”则在分离附着系数路面上会产生横摆力 矩,导致车辆失 稳； 若安装形式为“低选择”又没有充分利用路面附着系数 导致制动距 离 延长。通过 ABS 和 4WS 的集成控制既能充分利用路面附着系数， 缩短 制 动距离,又能保证车辆稳定性。 （3）减少传感器 很多控制系统所需 要的传 感器信号是相同的， 可以通过集成实现传感器共享， 还可以充分利 用状态 估计等方法来估计一些车辆的状态参数， 减少传感器的数量， 降低 控制系 统的成本。 （4）降低系统复杂性。随着底盘电控系统数量的不断 增加， 控制器、传感器和执行器都大大增多， 造成电子线路复杂， 布局混乱, 成本上升,还造

4、成检修和维护的困难。集成控制从系统工程的角度， 整合现有的控制器，简化系统结构,大大降低系统的复杂性。丰田的FXV2II研究实验车上装备有主动悬架AS、四轮驱动4WD、 四轮转向4WS、ABS和牵引力控制系统TCS，控制器按照驾驶员意图，根 据一定的控制规律控制执行器， 以达到优化整车性能的目的。 Continentai 公司在ESP的基础上增加主动转向系统，开发了 ESP II,其中集成了 ABS、TCS、DYC( direct yaw moment control)和 AFS 等控制系 统。最基 础的控制能力如制动防抱死、驱动防滑及转向功能依然由底 层的 ABS、 TCS和AFS独立完成。

5、汽车的转向稳定性功能则由ESP II控制层统一管 理，ESP II通过网络获得AFS、ABS、TCS和ESP的所有信 息，并通过 网络向这些系统传达控制指令。ESP II比ESP有着更好的性能， 在附着系数分离路面上能缩短制动距离， 减少驾驶员转向输入；在换道 试验时也减小了驾驶员输入， 提高了车辆的稳定性。在底盘集成控制中通常采用两种结构， 一种是集中控制， 另一种是 协调控制。集中控制用一个控制单元汇总所有的信息 ， 包括传感器信息 和 状态估计信息， 通过多目标的全局优化算法统一控制所有的执行器 ， 如 图 4 所示。这种控制方式的集成度很高， 用一个集中控制器取代 了原有的 各个子系统

6、的控制器。通过仿真和试验， 这些集中控制能减小车辆的侧偏角， 缩短制动距离， 也减少了驾驶员的输入， 取得了较独立控 制更好的效果。但集中控制存在以下缺点：(1)车辆的数学模型复杂， 在 设 计控制器时存在困难， 为了降低设计难度， 常常采用简化的线性模型， 这 样设计出来的控制器在线性范围里是可行的， 但当车辆状态超出线性范 围 时，控制效果难以保证；集中控制完全抛弃了原来的控制器，重新设 计， 开发周期长， 不便于分工协作， 这不利于汽车工业的发展。汽车底盘的集成控制是一个多系统相互影响， 相互作用的复杂系统 工 程， 具有以下特征。 (1)不同的控制系统经常共用同一传感器、执行 机构、甚

7、至电子控制单元。如轮速传感器的信号几乎被所有的底盘 控 制系统所使用。或者共同来控制。如汽车在离散型路面上制动时方 向 稳定性可通过 ABS、ESP、 AFS 和 RWS 来控制。 （3）同一个控 制系统 可能会对多个变量同时进行控制，并且拥有多个执行机构。如 TCS 的控 制变量有车轮的滑转率和车轮的角加速度，其执行机构有 发动机节气门 开度的调节器和轮缸里制动液压的调节装置。（4）同 一个控制变量同 时受不同的控制系统所控制。如车轮滑动率同时受 ABS 和 ESP 的控 制。汽车底盘集成控制系统主要由：汽车防抱死制动系统ABS、牵引力 控制系统TCS、汽车动力学电子稳定控制系统、主动前轮电

8、动助力转向系 统、主动前轮叠加转向系统、后轮转向系统、汽车悬挂系统、 主动横向稳定 器等组成。1、汽车防抱死制动系统 ABS : ABS 基本上都是由电子控制单元（ECU）、轮速传感器和制动压力调节装置等组成。新型的ABS基本上都 使用由 2 位 2 通道电磁阀、低压储液室、电动泵组成的压力调节装置。 根据不同工况阶段，压力调节装置可进入 4 种不同的压力调节模式：普 通 制动、保压制动、减压制动和增压制动。新型的 ABS 基本上都使用 由 2 位 2 通道电磁阀、低压储液室、电动泵组成的压力调节装置。根据 不同工况阶 段，压力调节装置可进入 4 种不同的压力调节模式：普通制 动、保压制 动、

9、减压制动和增压制动。新 ABS 是在传统的制动系统里 串联进去了制动 压力调节装置，传统的制动系统不需改动。即使 ABS 发 生故障，传统制动 性能照常工作。2、牵引力控制系统TCS:当汽车驱动轮的驱动力矩过大时，驱动轮会相对 地面作滑转运动。一般希望驱动轮的滑转率不要超过 20% ,这样不 仅能获得 最大的地面驱动力， 而且驱动轮还能承受一定的侧向力。这种 对驱动轮滑 转率进行控制的系统称为TCS系统。TCS同ABS共用同一个ECU。只是在软件部分增加了 TCS的运算、监测和控制模块。TCS的ECU根据传感器 的输入信号，来识别和判断汽车的行驶状况。如发 现汽车驱动轮的滑转率 超出相应的门限

10、值，TCS系统将对执行机构发出相应的控制调节指令。其 执行机构分为发动机节气门调节机构和驱动 轮制动压力调节装置两部分 TCS 制动压力调节装置（图 4）是在 ABS 制动 压力调节装置的基础上， 对 每个制动回路增加 2 个电磁阀（隔离阀和低 压阀）。在进行 BTCS 控制 时， 隔离阀断开， 低压阀连通， 低压油从制动 主缸由电动泵输送到驱动轮 制动轮缸里， 产生所需要的轮制动压力。3、汽车动力学电子稳定控制系统：ESP是通过调节车轮纵向力大小及匹配 来控制汽车的横摆运动， 使汽车具有良好的操纵性和方向稳定性的 主动安 全控制系统。 ESP 的基本原理是通过传感器和运算逻辑来识别 驾驶员对

11、汽 车的期望运动状态， 同时测量和估算出汽车的实际运动状 态。当两者之间 的差大于给定的门限值时， 按一定的控制逻辑对车轮的 纵向力大小进行相 应的控制和调节， 使作用在汽车上的横摆力矩发生变 化。附加的横摆力矩 迫使汽车作相应的横摆运动， 让汽车的实当汽车在 弯道行驶时， 如果汽车 行驶轨道和驾驶员所期望的轨道不一致， ESP 系 统会通过制动压力的干预 或者发动机输出转矩的调节， 来改变汽车的运 动。当汽车的实际运动曲线 半径小于驾驶员所期望的轨道半径时， 汽车 有过度转向的特征。此时， ESP 在汽车的前外轮施加一个制动力。一方 面， 制动力对汽车产生一个横 摆回正力矩；另一方面， 由于

12、制动力的增 加， 作用在此车轮上的侧向力会 相应减小， 从而产生另一个横摆回正力 矩。汽车在这两个附加回正力矩的 作用下会返回到驾驶员所期望的轨 道上来。当汽车有不足转向时， ESP 有 两种干预方法。其一是在汽车的 后内轮施加一个制动际运动状态更接近驾驶 员对汽车的期望运动状 态。力， 使汽车的横摆运动加剧， 让汽车返回到驾 驶员所期望的轨道上 来；另一种是减小发动机输出转矩， 相应的驱动力也 随之减小， 汽车将 作减速运动。此时， 前轴的法向力增大， 后轴的法向力减小。相应的前 轴侧向力增大，后轴侧向力减小，从而加剧汽车的横摆运 动，使汽车的 实际运动状态更接近驾驶员的期望值，提高了汽车的

13、方向稳 定性。4、主动前轮电动助力转向系统：EPS由电子控制器、电动机及运动传动 机构、电动机转速传感器、转向盘转角传感器和转向盘力矩传感器 等部分组 成。由于 EPS 可按需要给转向盘施加一个额外力矩，这一力矩 可用于对驾 驶员的提示信号，实现转向建议。DSR( driversteering recommendation)。 让 EPS 系统和 ESP 系统相互结合， 来识别和判断驾 驶员的意向以及汽车 的运动状况。一旦发现汽车过度转向或当汽车在 L2Split 路面制动时， DSR 可及时地提示和建议驾驶员作出快速和正确的 反应， 从而提高汽车的安全 性。5、主动前轮叠加转向系统： AFS

14、 系统能在驾驶员通过转向盘施加给前 轮的 转向角的基础上， 通过 AFS 的执行机构给前轮叠加一个额外的转向 角。此 额外的转向角由电子控制单元根据转向盘转角和汽车的一些运 动变量计算。 AFS 的执行机构由电动机、自锁式蜗轮蜗杆机构、行星 齿轮机构等组成。 AFS 一般串联在转向盘和转向器之间。转向器的输 入角 DV 由转向盘转角 DS 和电动机转角 DM 线性叠加而成。为了得知和 控制前轮转向角， 需要安装一电机转角传感器。 AFS 电子控制单元通过 CAN 获 得转向盘转向角， 汽车行驶速度等信息。同时将转向器的输入角 DV 及转向 器的输入角速度传递给 CAN 网络。由于前轮转向系统增

15、加了一 个运动自由 度， 通过合适的前轮转向角叠加能实现一些传统转向系统无 法实现的新功 能。其中最主要的功能是转向系统的变传动比和对前轮 转向角的动态干预和 调节， 影响汽车的动态性能， 从而使汽车的舒适 性、机动性和稳定性得到 一定的改善。AFS 转向系统的传动比是根据汽车行驶速度来变化的。当汽车低速行驶时， AFS 的执行电动机叠加一 个 与转向盘转角DS同向的电机转角DM,使转向盘转角与前轮转向角的比值变小。其转向更直接、快速、舒适。当汽车高速行驶时，AFS 叠加个与转向盘转角DS反向的电机转角DM,使转向盘转角与前轮转向角的比 值变大。其转向变得更为间接，所需要的转向盘转角变大，能提

16、高 汽车高 速行驶的转向精确度，从而改善汽车的操纵性。同ESP系统相配合,AFS 能在定范围内进行汽车的横摆角控制。特别是当汽车在 L2Split 路面制动 时， AFS 能通过主动的前轮转向角来平衡制动力所产生 的横摆力矩， 使汽 车的操纵稳定性得到改进。由于转向盘和汽车前轮仍 然保持着机械式连 接， 其安全自保性能好。当 AFS 出现故障时， 电动机 自动锁止， 传统的转 向系统仍然照常工作。6、后轮转向系统：RWS能主动让汽车两后轮的横拉杆相对于车身作侧向运动， 使两后轮产生转向角。 RWS 也是由电子控制单元、传感 器和 执行机构等组成。其执行机构有整体式和分离式两种。整体式是 指汽车两后 轮的横拉杆由同个执行机构所调节；而分离式则指汽车两 后轮的横拉杆 由两个不同执行机构来调节。对于整体式 RWS 执行机构, 用个横拉杆位 移传感器就能确定两后轮的转向角。但分离式RWS 执行机构需要至少两个位移传感器。由于分离式 RWS 执行机构的元件多，